倒車防撞報警器的設(shè)計畢業(yè)論文

PAGE畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：倒車防撞報警器的設(shè)計姓名：學(xué)院：專業(yè)：班級：學(xué)號：指導(dǎo)教師：摘要本設(shè)計采用超聲波測距，可用作汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音和更為直觀的LED顯示告知駕駛員汽車周圍障礙物的情況，解除了駕駛員在泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的煩擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了泊車安全性。本設(shè)計硬件部分主要由單片機控制電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、數(shù)碼管顯示電路、電源電路和報警電路組成，軟件部分主要由主程序、超聲波發(fā)射接收中斷程序、距離計算子程序及顯示子程序等部分組成。本設(shè)計由STC89C52RC單片機控制時間計數(shù)，計算超聲波自發(fā)射至接收的往返時間，利用超聲波在空氣中的傳輸速度，從而得到實測距離。該設(shè)計的電路設(shè)計合理簡單、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量誤差方面能夠達到簡單工業(yè)實用的要求。關(guān)鍵詞：單片機；超聲波測距；超聲波換能器；STC89C52RC。

AbstractThisdesignadoptsultrasonicranging,whichcanbeusedforcarparkingsafetyauxiliarydevices.ItcouldeusesoundandmoreintuitiveLEDdisplaytoinformthedrivercaseofthecararoundobstacles,liftedthedriverswhenparkingandstartvehiclesvisitingaroundcausedannoyance.Inaddition，itcouldehelppilotremovedthesightvisionblindangleandfuzzy,improvedparkingsafetydefects.ThehardwareofthisdesignmainlycomposedbytheMCUcontrolcircuit,ultrasonictransmittercircuit,ultrasonicreceivingcircuit,LEDdisplaycircuit,powercircuitandalarmcircuit.Andsoftwareismainlycomposedofthemainprogram,ultrasonictransmittingandreceivinginterruptprogram,distancecalculationanddisplaysubroutinesubprogramcomponents.ThisdesignusesSTC89C52RCsingle-chipmicrocomputercontrolthetimecounts,sincelaunchtoreceivecalculationultrasonicround-triptime,usingultrasonictransmissionspeedintheair,therebygetthemeasureddistance.Thecircuitdesignofthisdesignreasonableperformancegood,stableandfastinspectionspeed,simplecalculation,easytoachievereal-timecontrol,andinthemeasurementerrorcanachievesimpleindustrialpracticalrequirement.Keywords:MCU,Ultrasonicranging,Ultrasonictransducer,STC89C52RC.目錄TOC\o"1-3"\h\u30634摘要 210289Abstract 33079緒論 676661.1課題研究背景 658511.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6110921.3課題研究的目的及意義 837701.4論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排 9263092超聲波基本理論 10271042.1超聲波發(fā)展簡史 10186962.2超聲波簡介 1150122.3超聲波的應(yīng)用 1122424(1)在檢驗方面的應(yīng)用 1219847(2)在超聲處理方面的應(yīng)用 1224307(3)在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用 13259682.4超聲波的衰減特性 149319(1)由聲速擴展引起的衰減 1410283(2)由散射引起的衰減 1429461(3)由介質(zhì)的吸收引起的衰減 1418272.5超聲波的基本參數(shù) 1517992（1）聲壓 1518905（2）聲強 159048（3）聲場 1613498(4)聲阻抗 1619532.6超聲波測距方法 166064（1）相位檢測法 1613160（2）幅值檢測法 172564（3）渡越時間法 1783453系統(tǒng)總體設(shè)計 1816783.1系統(tǒng)測距方法的選擇 18114603.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計 19292653.3硬件選型 20306683.3.1超聲波探頭的主要參數(shù)及選擇 20104733.3.2單片機選擇 22176863.3.3其他元器件選擇 23177844硬件系統(tǒng)設(shè)計 24233634.1單片機外圍電路設(shè)計 24214984.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計 25324484.2.1超聲波換能器 25138554.2.2NE555簡介 27178275軟件系統(tǒng)設(shè)計 2882255.1主程序設(shè)計 28142635.2子程序設(shè)計 29300065.2.1初始化程序 299325.2.2中斷程序 30185655.2.3顯示程序 3168046.1系統(tǒng)誤差分析 33119736.1.1溫度對超聲波聲速的影響 33199096.1.2回波檢測對時間測量的影響 34117716.1.3超聲傳感器所加脈沖電壓對測量范圍和精度的影響 3497046.2針對誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進方案 3417384(1)合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期； 3410815(2)在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動增益負反饋控制環(huán)節(jié)； 34297(3)提高計時精度，減少時間量化誤差； 3515824(4)補償溫度對傳播聲速的影響； 3526135(5)補償系統(tǒng)電路的時間延遲。 35110637總結(jié) 3622507附錄 3731690元件清單： 37

緒論1.1課題研究背景隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,交通運輸業(yè)日益興旺，我國汽車的數(shù)量逐年攀升。據(jù)公安部交管局2010年11月發(fā)布的數(shù)據(jù)，截止2010年9月底，我國汽車保有量為8500萬輛。而隨著中國城市化的加速推進，這一數(shù)字還會在相當(dāng)長時間內(nèi)持續(xù)高水平的增長。汽車的數(shù)量逐年增加，造成公路、街道、停車場、車庫等越來越擁擠。在享受汽車給我們帶來的便利的同時，由于倒車而產(chǎn)生的問題也同益突出。因為駕駛員在駕車時的視野范圍是很有限的，通過車內(nèi)和外側(cè)的反光鏡可以大幅度提高駕駛員的視野范圍，但位于車正后方的障礙物以及高度不足以通過反光鏡看到的或者距離車身過近的障礙物都可能處于駕駛員的視野死角或者視野模糊區(qū)中。這樣，小則對駕駛員的泊車、倒車造成不便，大則也會帶來一些危險。據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計，15％的汽車事故是由汽車倒車“后視”不良造成的。因此，人們對汽車操縱的便捷性提出了更高的要求，希望有種裝置能夠解決汽車倒車給人們帶來的不便，消除駕駛中的不安全因素，可將車輛快速準確地停放到指定的位置。鑒于此，設(shè)計一種響應(yīng)快、可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車倒車防撞報警系統(tǒng)勢在必行。本文介紹的倒車防撞報警器，與汽車配備的倒車雷達原理和用途一致，都是利用超聲波測距原理實現(xiàn)實時測距，都是用作“泊車輔助裝置”，可稱作“簡單型”的倒車雷達。但相比市場上各種價格昂貴的倒車雷達產(chǎn)品，本文介紹的倒車防撞報警器，價格更為經(jīng)濟，電路更為簡單，精度也能滿足常用要求。防撞報警器是汽車泊車或者倒車時的安全輔助裝置，由超聲波傳感器(俗稱探頭)、單片機控制系統(tǒng)、LED顯示和蜂鳴器等部分組成。防撞報警器的主要作用是在倒車時，利用超聲波測距原理，由裝置于車尾保險杠上的超聲波傳感器發(fā)送超聲波，超聲波遇到障礙物后反射至超聲波傳感器，從而計算出車體與障礙物之間的實際距離，再給駕駛員以提示，使停車和倒車更容易、更安全。該裝置能夠在駕駛員視野的死角處，通過LED顯示、聲音等形式為駕駛員提供信息和警示來告知駕駛員周圍障礙物的情況，使駕駛員能夠更清楚的了解周圍障礙物的情況，對駕駛員的起步、泊車、倒車等環(huán)節(jié)有很大幫助，提高了駕駛的安全性。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國倒車雷達從2000年開始起步，從最初只是奔馳、寶馬等高檔車的專利，發(fā)展到現(xiàn)在成為許多轎車的標(biāo)準配置。經(jīng)過多年的發(fā)展，倒車雷達系統(tǒng)已經(jīng)歷了六代技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上還是性能價格上，這六代產(chǎn)品都各有特點。第一代：倒車時通過喇叭提醒?！暗管囌堊⒁狻⒌管囌堊⒁?”，想必不少人還記得這種聲音?，F(xiàn)在第一代的倒車雷達只有小部分大卡車、泥頭車在使用。只要司機掛上倒車檔，喇叭就會響起，提醒周圍的人注意。從某種意義上說，這對司機并沒有直接的幫助，不是真正的倒車雷達，只是在提示路人小心。該類產(chǎn)品價格便宜，但基本屬于淘汰產(chǎn)品。第二代：采用蜂鳴器產(chǎn)生不同聲音來提示駕駛員。在倒車時，蜂鳴器發(fā)出“嘀、嘀、嘀”的響聲，這是倒車雷達系統(tǒng)的真正開始。倒車時在車后一定距離內(nèi)有障礙物，蜂鳴器就會開始工作，蜂鳴聲音越急，表示車輛離障礙物越近。因為沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機知道有障礙物，但不能確定障礙物離車體有多遠，所以對駕駛員幫助不大。第三代：數(shù)碼波段顯示的倒車雷達系統(tǒng)。這代產(chǎn)品比第二代進步很多，可以顯示車后障礙物離車體的距離。顯示車后障礙物和車體之間距離的方式有兩種：一種是數(shù)字顯示方式，通過LED顯示車體與障礙物間的距離；另一種是用顏色來區(qū)別：綠色代表安全距離，黃色代表警告距離，紅色代表危險距離。這一代倒車雷達已經(jīng)比較先進了，缺點是精確度不高、安裝不美觀。第四代：液晶熒屏動態(tài)顯示。這一代的倒車雷達有一個質(zhì)的飛躍，可以看清車體與障礙物之間的實際距離和其圖像效果。此類倒車雷達不用掛倒車檔，只要發(fā)動汽車，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。但這一代的產(chǎn)品靈敏度不太高，抗干擾能力不強，所以誤報也較多。第五代：魔幻鏡倒車雷達。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點，采用了最新仿生超聲雷達技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準確地測知2米以內(nèi)的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車雷達可以把后視鏡、倒車雷達、免提電話、溫度顯示和車內(nèi)空氣污染顯示等多項功能整合在一起，并設(shè)計了語音功能。這一代倒車雷達的功能較多，但成本也比較高。第六代：整合影音系統(tǒng)。這一代倒車雷達是專門為高檔轎車生產(chǎn)的。從外觀上來看，它比第五代倒車雷達更為精致典雅；從功能上來看，它除了具備第五代產(chǎn)品的所有功能之外，還整合了高檔轎車具備的影音系統(tǒng)，可以在顯示器上觀看DVD影像，但相應(yīng)的成本也更高。目前，國內(nèi)市場上的倒車雷達產(chǎn)品主要由國外公司占據(jù)著。國內(nèi)一些公司雖然也推出了相應(yīng)的倒車雷達產(chǎn)品，但在質(zhì)量上、市場份額上都無法與國外廠商相比擬。一些核心元器件，國內(nèi)相同產(chǎn)品達不到國外水平或者無法生產(chǎn)。在倒車雷達等輔助倒車研究領(lǐng)域，美國、德國、日本等發(fā)達國家的技術(shù)遠遠走在前面。他們在汽車信息化技術(shù)的研究上起步較早，并且自身在半導(dǎo)體、微電子領(lǐng)域也具有很大的優(yōu)勢。因此，在這些國家智能化車載電子設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)達到了相當(dāng)高的水平，很多高科技車載電子設(shè)備已經(jīng)相當(dāng)普及。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，在輔助倒車領(lǐng)域，國外已經(jīng)出現(xiàn)了停車入位導(dǎo)航系統(tǒng)。梅賽德斯車廠已經(jīng)在使用雷達探測技術(shù)來幫助駕駛者更快更安全地停車。導(dǎo)航雷達探測器能夠探測出經(jīng)過路線上的停車空位，并向駕駛者發(fā)出信號。這個時候，駕駛者可以通過探測器顯示的位置找到空位。在整個停車過程中，駕駛員切換到倒檔后，導(dǎo)航系統(tǒng)會由始至終地監(jiān)測汽車的位置和角度。如果駕駛者中斷倒車，導(dǎo)航系統(tǒng)還會自動計算出新的最佳停車路線和角度。在日本，豐田公司研制的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)準確地全自動停車。當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)鎖定一個合適的停車空位之后，只要駕駛員換到倒檔，儀表盤上的屏幕上就會開始顯示由安裝在汽車背部的攝像頭傳送過來的車后圖像。此時，駕駛者只需對導(dǎo)航系統(tǒng)選擇的提供車位置進行確認。在此之后，就可以松開方向盤和腳剎，保持適當(dāng)?shù)乃俣取倪@里開始，停車過程便由配備了超聲波雷達和攝像頭的停車導(dǎo)航系統(tǒng)全權(quán)接手。如果想要中止停車程序，駕駛者只需踩下剎車就可以了。而且這款設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)開始在一些高檔轎車上配備使用。1.3課題研究的目的及意義本文介紹的倒車防撞報警器的核心就是超聲波測距原理的應(yīng)用，市場上廣泛應(yīng)用的倒車雷達也是如此。所以，歸根結(jié)底本課題研究的目的和意義本質(zhì)上是歸于超聲波測距系統(tǒng)的。從小的應(yīng)用方面來說，本課題的研究直接解決了司機倒車時的困擾，更能有效地降低倒車過程中發(fā)生的大小事故。但從更廣泛的應(yīng)用來講，超聲波測距系統(tǒng)的研究在許多工業(yè)、交通運輸業(yè)、軍事等等方面有著更為廣泛顯著的應(yīng)用。隨著雷達技術(shù)、激光技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)也得到和不斷的更新和發(fā)展，超聲波技術(shù)已經(jīng)從最初的理論研究發(fā)展到大范圍地應(yīng)用在無損探傷、測溫、測距、流量測量、液體成分測量、巖體檢測等方面。在這期間，超聲波技術(shù)不斷得到完善并趨于成熟。與發(fā)達國家相比，目前我國所研制出的超聲波測距系統(tǒng)在性能方面有了很大的改善，但在精度等方面仍然很落后。高速度和高效率是現(xiàn)代化工業(yè)的標(biāo)志，這些都是建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上，精度作為高質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，需要加大力度對其進行研究。而且我國正在使用的高精度超聲測距系統(tǒng)大多以進口國外為主，很大程度的制約了工業(yè)的發(fā)展。因此盡快展開超聲波測距系統(tǒng)精度的深入研究并進行自主研發(fā)顯得尤為重要。本課題研究具有重要的實際應(yīng)用價值和深遠的戰(zhàn)略意義。1.4論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文以倒車防撞報警器為研究目標(biāo)，從理論和實踐兩個方面對超聲波測距技術(shù)的應(yīng)用進行探討，并將超聲波測距技術(shù)應(yīng)用于本課題的研究。現(xiàn)將本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排簡要介紹如下：第1章介紹本課題的研究背景、國內(nèi)外研究狀況及課題研究目的和意義。第2章介紹超聲波基本理論。第3章闡述系統(tǒng)總體方案。第4章詳述本設(shè)計的硬件電路設(shè)計。第5章闡述本設(shè)計的軟件設(shè)計。第6章論述本設(shè)計的系統(tǒng)誤差及其改進。第7章講述總結(jié)。

2超聲波基本理論2.1超聲波發(fā)展簡史意大利科學(xué)家斯帕拉捷習(xí)慣晚飯后到附近的街道上散步。他常?？吹剑芏囹痨`活的在空中飛來飛去，卻從不會撞到墻壁上。這個現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？為了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列試驗。先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能準確地分辨障礙物。只有當(dāng)耳朵被堵住時，蝙蝠就不能分辨障礙物。斯帕拉捷的實驗，揭開了蝙蝠飛行的秘密。后來人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。原來，蝙蝠靠喉嚨發(fā)出人聽不見的“超聲波”，這種聲音沿著直線傳播，碰到物體后就像光照到鏡子上那樣反射回來。蝙蝠用耳朵接受到這種“超聲波”，就能迅速做出判斷，靈巧的自由飛翔，捕捉食物。當(dāng)然，以上的故事是個美麗的楔子。真正超聲波的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。自19世紀末到20世紀初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲波技術(shù)的歷史篇章。1883年Galton首次制成超聲波氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和夜哨等機械型超聲波換能器。20世紀初，電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機電換能器。1917年，法國物理學(xué)家朗之萬(PaulLangevin)用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應(yīng)用于水下探測潛艇。隨著軍事和國民經(jīng)濟各部門中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器。人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學(xué)會利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來探測水中目標(biāo)及其狀態(tài)，如潛艇的位置等。40年代末期超聲波治療在歐美興起，直到1949年召開的第一次國際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲波技術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)，以后到了60年代醫(yī)生們開始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的探測。1956年第二屆國際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進入了實用成熟階段。材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用最廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機電耦合系數(shù)高、價格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電薄膜(PVDF)等。產(chǎn)生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷達、電子通信和成像技術(shù)等方面。如今，超聲波已廣泛應(yīng)用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。2.2超聲波簡介聲波是屬于聲音的類別之一，屬于機械波，是人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為16Hz-20KHz。當(dāng)聲波的頻率低于16Hz時就叫做次聲波，高于20KHz則稱為超聲波。超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時又是一種能量形式，當(dāng)其強度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性──超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的?？栈饔茅ぉぎ?dāng)超聲波在液體中傳播時，由于液體微粒的劇烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。2.3超聲波的應(yīng)用由于超聲波在物理化學(xué)方面的獨特特性，所以超聲波在許多方面都有廣泛的應(yīng)用。歸結(jié)起來，超聲波主要應(yīng)用在以下幾個方面：(1)在檢驗方面的應(yīng)用超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)。超聲波探傷是利用超聲波能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時就分別發(fā)生反射波來，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。超聲波測厚，是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)，把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進行檢查，在材料科學(xué)中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù)，其原理與光波的全息術(shù)基本相同，只是記錄手段不同而已。(2)在超聲處理方面的應(yīng)用利用超聲的機械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、理化效應(yīng)，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、清洗、滅菌、促進化學(xué)反應(yīng)和進行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應(yīng)用。超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。超聲波焊接主要分超聲波塑料焊接和超聲波金屬焊接，超聲波塑料焊接具有焊接速度快，焊接強度高、密封性好的優(yōu)點；而超聲波金屬焊接的優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、導(dǎo)電性好、無火花、接近冷態(tài)加工。針對所有的應(yīng)用市場，超音波焊接其特有的優(yōu)點——快捷、高效、清潔和牢固，贏得了各行各業(yè)的認可，在汽車、家電、包裝、玩具業(yè)、電子等行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的。目前所用的超聲波清洗機中，空化作用和直進流作用應(yīng)用得更多。超聲波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清潔度高，不須人手接觸清洗液，安全可靠，對工件表面無損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場地和人工等諸多優(yōu)點。超聲波清洗方式超過一般的常規(guī)清洗方法，特別是工件的表面比較復(fù)雜像一些表面凹凸不平、有盲孔的機械零部件，一些特別小而對請潔度有較高要求的產(chǎn)品如：鐘表和精密機械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達到很理想的效果。超聲波技術(shù)在醫(yī)療方面的獨特療效已得到醫(yī)學(xué)界的普遍認可，并越來越被臨床重視和采用。超聲波治療時將超聲波能量作用于人體病變部位，以達到治療疾患和促進機體康復(fù)的目的。超聲波的機械作用可軟化組織，增強滲透，提高代謝，促進血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細胞功能，因此具有超聲波獨特的治療意義。超聲溫?zé)嵝?yīng)可增加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營養(yǎng)，增強酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結(jié)締組織為顯著，脂肪與血液為最少。超聲波治療以療效獨特，長期治療無毒副作用的安全特性見長，在肢體運動康復(fù)、心腦血管疾病治療方面有著獨特的優(yōu)勢，其體外無創(chuàng)的物理治療手段比較適合在社區(qū)、醫(yī)院運用。(3)在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用超聲學(xué)是研究超聲的科學(xué)，它是聲學(xué)的一個重要分支。超聲學(xué)是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，超聲的各種效應(yīng)，以及超聲在基礎(chǔ)研究和國民經(jīng)濟各部門的應(yīng)用等內(nèi)容的聲學(xué)重要分支。機械運動是最簡單、也最普通的物質(zhì)運動，它和其他形式的物質(zhì)運動以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系非常密切。超聲振動本身就是一種機械運動，因此，超聲方法也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個重要途徑。20世紀40年代起，人們在研究媒質(zhì)中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關(guān)系時，就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了它們與各種分子弛豫過程（如分子的內(nèi)、外自由度之間能量轉(zhuǎn)換的熱弛豫，分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的結(jié)構(gòu)弛豫等過程）及微觀諧振過程（如鐵磁、順磁、核磁共振等）之間的關(guān)系，通過物質(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這些方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，已正在逐步接近點陣熱振動的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能──聲子來研究原子間的相互作用、能量傳遞等問題是十分有意義的。通過對甚高頻超聲聲速和衰減的測定，可以了解聲波與點陣振動的相互關(guān)系及點陣振動各模式之間的耦合情況，還可以用來研究金屬和半導(dǎo)體中聲子與電子、聲子與超導(dǎo)結(jié)、聲子與光子的相互作用等。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程的三大重要手段。與之有關(guān)的一門新分支學(xué)科──量子聲學(xué)也正在形成。超聲學(xué)是一門應(yīng)用性和邊緣性很強的學(xué)科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學(xué)、超聲學(xué)材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時，超聲學(xué)的發(fā)展又為這些學(xué)科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超聲學(xué)仍是一門年輕的學(xué)科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲波應(yīng)用的機理還未徹底了解，況且實踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學(xué)是在不斷地向前發(fā)展著。2.4超聲波的衰減特性從理論上講，超聲波衰減主要有三個方面：(1)由聲速擴展引起的衰減在聲波的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，非平面聲波的聲速不斷擴展增大，因此單位面積上的聲壓隨距離的增大而減弱，這種衰減稱為擴散衰減。(2)由散射引起的衰減由于實際材料不可能是絕對均勻的，例如材料中外來雜質(zhì)金屬中的第二相析出、晶粒的任意取向等均會導(dǎo)致整個材料聲學(xué)特性阻抗不均，從而引起超聲波的散射。被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變成熱能，這種衰減稱為散射衰減。(3)由介質(zhì)的吸收引起的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時，內(nèi)于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能。同時，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，以及由于分子弛豫現(xiàn)象造成的吸收，這些都是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象，這種衰減稱為吸收衰減。擴散衰減僅取決于波的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。對于大多數(shù)金屬和固體介質(zhì)來說，通常所說的超聲波的衰減，即(衰減系數(shù))表征的衰減僅包括散射衰減和吸收衰減而不包括擴散衰減。因此，空氣介質(zhì)的衰減系數(shù)也由兩部分組成，可由下式表示：（2-1）式中：為熱傳導(dǎo)系數(shù)，為超聲波頻率，為動力粘滯系數(shù)，為超聲波傳播速度，為定容比熱，為定壓比熱，為傳播介質(zhì)密度。式(2-1)中第一項是由內(nèi)摩擦引起的衰減系數(shù)，第二項是由熱傳導(dǎo)引起的衰減系數(shù)，由于后者比前者小得多，故在忽略熱傳導(dǎo)引起的超聲波衰減的情況下，衰減系數(shù)可以由下式表示： （2-2）把代入式（2-2）可得： （2-3）由式(2-3)可知：溫度一定時，、、均一定，衰減系數(shù)與頻率的平方成正比；頻率越高，衰減的系數(shù)就越大，傳播的距離也就越短。2.5超聲波的基本參數(shù)（1）聲壓垂直作用于單位面積上的壓力稱為聲壓。當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時，介質(zhì)質(zhì)點的振動使得介質(zhì)中壓強交替變化。聲壓就是超聲場中某一點在某一瞬間所具有的壓強與沒有超聲波存在時同一點的靜態(tài)壓強之差，用表示，單位是帕斯卡。超聲場中某一點的聲壓可以用式（2-4）表示： （2-4）其中，為介質(zhì)密度，為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，為介質(zhì)質(zhì)點的振幅，為介質(zhì)質(zhì)點的角頻率，為該點與波源的距離。又因，所以，超聲場中某一點的聲壓與超聲波的頻率成正比。（2）聲強聲強是指聲波傳播的能流密度，即在單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向上單位面積的聲音能量，用表示。超聲波在介質(zhì)中傳播時，若單位時間內(nèi)傳遞的能量越多，則聲強就越大。平均聲強的計算公式如式(2-5)所示： （2-5）（3）聲場聲波為一點源時，聲波從聲源向四面八方輻射，如果聲源(探頭)的尺寸比波長大時，則聲波從聲源集中成一波束，以某一角度擴散出去，在聲源(探頭)的中心軸線上聲壓和聲強最大，偏離中心軸線一角度時，聲壓減小，形成聲波的主瓣(主波束)，離聲源近處聲壓交替出現(xiàn)最大與最小值點，形成聲波的副瓣。時的擴散角稱為聲波的半擴散角，根據(jù)聲源形狀的不同，聲波半擴散角的表達式也不同。聲源為圓板形時的半擴散角如式(2-6)所示: (2-6)式(2-6)中，為半擴散角，為聲波在介質(zhì)中的波長，為聲源直徑，為常數(shù)。值取決于對擴散角的限制，一般取波束邊緣聲壓為零時的值，即=1.22(4)聲阻抗超聲波在介質(zhì)中傳播時任何一點的聲壓與該質(zhì)點振動速度之比稱為聲阻抗。聲阻抗越大，質(zhì)點的振動速度就越小，聲阻抗為傳播介質(zhì)的密度與聲速之積。聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要物理量，超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射與這兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。2.6超聲波測距方法目前，市場上利用超聲波測距原理制成的測距系統(tǒng)種類繁多，但是超聲波測距的方案總歸下來有已下幾種：（1）相位檢測法相位發(fā)檢測法可分為兩種：一種方法是通過發(fā)射不同頻率的超聲波來實現(xiàn)的。首先，發(fā)射一束波長為的超聲波。檢測到回波的相位為。設(shè)經(jīng)過的波周期數(shù),則可求的目標(biāo)物體的距離為：(2-7)同樣可以得到第二束波形的測距計算公式為： (2-8)其中：為第二束波的相位角，為波長，為波的周期數(shù)。又因為和都為正數(shù),同時再進行時間補償?shù)乃惴?，可精確求的目標(biāo)距離的值。然而由于超聲波探頭為固定的頻率，倘若改變頻率，系統(tǒng)的衰減比較大，需要兩套信號檢測電路，實施的難度大，不宜采用。另一種方法是通過單一的超聲波探頭進行相位檢測法檢測，此種方法是待測距離在一個周期以內(nèi)使用，如過選用40kHz的超聲波作為介質(zhì)，一個周期對應(yīng)的檢測距離為，顯然，此種方法的精確度很高。（2）幅值檢測法幅值檢測法就是先發(fā)射固定頻率的超聲波，然后使用反射或者對射法檢測接收到的超聲波的脈沖強度，根據(jù)超聲波回波衰減理論，對回波脈沖強度的進行分析，進而求得目標(biāo)距離。（3）渡越時間法渡越時間是指從傳感器發(fā)射超聲波出去開始計時，經(jīng)過氣體介質(zhì)傳播，到傳感器接收到回波時計時停止。由于在一定的環(huán)境下，溫度是不會變化的，或者變化緩慢，可近似為常數(shù)，此時聲速是不變化的。因此可以通過檢測渡越時間，結(jié)合現(xiàn)場的聲速，進而求的傳感器與目標(biāo)之間的距離。

3系統(tǒng)總體設(shè)計3.1系統(tǒng)測距方法的選擇前面提到，超聲波測距的方法主要有三種，為相位檢測法、幅值檢測法和渡越時間法。相位檢測法檢測精度高，但是檢測距離有限，達不到本課題設(shè)計的要求。由于超聲波在傳播過程中，由于空氣雜質(zhì)含量不同，衰減系數(shù)也不一樣，聲波幅值檢測法的檢測精度和穩(wěn)定性受到很大的限制，所以此種方法不適合本課題的應(yīng)用。而渡越時間法工作原理簡單，電路容易實現(xiàn)。但是由于氣體介質(zhì)對超聲波存在反射和散射，使得超聲波在傳播過程中有很大的衰減，超聲波的最大檢測距離因此受到一定程度的限制。另一方便面超聲波的最大檢測距離與傳感器的發(fā)射功率和電路的放大倍數(shù)有關(guān)，發(fā)射功率越大，電路的放大倍數(shù)越大，接收電路的靈敏度越好，檢測距離就越遠。因此可以通過提高放大倍數(shù)和采用發(fā)射功率較大的超聲波探頭來解決此問題。此外超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有很大關(guān)系，因此需對其進行溫度補償，而溫度補償在軟件和硬件上也很容易實現(xiàn)。綜上，本設(shè)計的測距方法采用渡越時間法。具體測距原理闡述如下。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖2-3所示：超聲波發(fā)射障礙物SHθ超聲波接收圖3-1（3-1）（3-2）式中:L兩探頭之間中心距離的一半。又知道超聲波傳播的距離為:(3-3)式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間。將（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得：(3-4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)(例如在溫度T=20度時,V=344m/s)；當(dāng)需要測量的距離H遠遠大于L時,則(3—4)變?yōu)?(3-5)所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H。3.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本設(shè)計硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為:檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波(假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體)，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即往返時間。往返時間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。本設(shè)計的硬件系統(tǒng)以宏晶科技的STC89C52RC單片機為控制中心構(gòu)建，包括單片機外圍電路、電源電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、數(shù)碼管顯示電路及報警電路。整個系統(tǒng)由單片機控制運行，首先由單片機控制NE555定時器工作產(chǎn)生40KHz的方波，同時單片機內(nèi)部定時器開始計數(shù)。由NE555產(chǎn)生的方波送給超聲波發(fā)射電路發(fā)出超聲波，待超聲波遇到障礙物返回后，由超聲波接收電路接收。超聲波接收電路接收到超聲波后，會產(chǎn)生一個下降沿的電壓信號，這個信號由P3.2口輸入單片機，從而關(guān)閉定時器。定時器關(guān)閉后，距離運算程序就會運行，得出結(jié)果通過數(shù)碼管顯示電路顯示距離和確定是否報警。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：圖3-2系統(tǒng)框圖3.3硬件選型3.3.1超聲波探頭的主要參數(shù)及選擇一、主要參數(shù)（1）中心頻率中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測距越短，而分辨力越高。常見超聲波傳感器的中心頻率有30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等。（2）靈敏度靈敏度的單位是分貝(dB)，數(shù)值為負，它主要取決于晶片材料及制造工藝。（3）指向角指向角是超聲波傳感器方向性的一個參數(shù)，指向角越小，方向性越強。一般為幾度至幾十度。（4）工作溫度工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠于居里點溫度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度達至?xí)r靈敏度可降低6％。一旦達到居里溫度點(),就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在溫度范圍內(nèi)可以長期工作。治療用的超聲波傳感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施。二、超聲波探頭的選擇超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭(接收縱波)、斜探頭(接收橫波)、表面波探頭(接收表面波)、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波；收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：(1)工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。(2)工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。(3)靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高?；谝陨系目紤]，本設(shè)計采用壓電式超聲波傳感器，為了充分發(fā)揮本設(shè)計的優(yōu)越性，換能器選擇收發(fā)分體式換能器TCT40-16。TCT40-16T/R的性能指標(biāo)如下表所示：表3-1TCT40-16T/R的指向特性如圖3-3所示：圖3-33.3.2單片機選擇單片機是系統(tǒng)軟件的載體，是控制系統(tǒng)的核心。因此其性能將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選擇好的單片機不僅關(guān)系到系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性，而且還有利于減少系統(tǒng)成本。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求以及總體設(shè)計思路對所選擇的單片機要求進行進一步的概括。系統(tǒng)最少需要2個定時器，一個為計算渡越時間需要，另一個為系統(tǒng)延時用。需要一個外部中斷，用于接收超聲波信號外部中斷。需要一個串行通行口，供與上位機用。最少需要18個I/O口，供鍵盤電路、顯示電路及各控制電路用。由此，這里采用宏晶科技的STC89C52RC單片機作為主控單片機。STC89C52單片機性能卓越、保密性好、燒寫程序方便、燒寫速度快、可重復(fù)燒寫10萬次!是普通51單片機的100倍.STC89C52完全兼容AT89C51AT89C52AT89S51AT89S52而且加入了更多新功能,它內(nèi)部有1280字節(jié)的SRAM、8-64K字節(jié)的內(nèi)部程序存儲器、2-8K字節(jié)的ISP引導(dǎo)碼、除P0-P3口外還多P4口(PLCC封裝)、片內(nèi)自帶8路8位AD(AD系列)，片內(nèi)自帶EEPROM、片機自帶看門狗、雙數(shù)據(jù)指針等。PAGE3.3.3其他元器件選擇顯示部分是采用七段四位數(shù)碼管，選用共陰極接法，CD4511控制段選碼，74LS138控制位選信號。發(fā)射部分超聲波探頭的選用前面已經(jīng)有所敘述，相應(yīng)的信號處理元件選用NE555和TC4069。超聲波的接收信號選用CX20106芯片處理。單片機的外圍電路元件選用11.0592MHz的晶振，串口通信選用MAX232。報警電路選用蜂鳴器。

4硬件系統(tǒng)設(shè)計4.1單片機外圍電路設(shè)計本部分的設(shè)計內(nèi)容主要是連接單片機的一些輔助電路，主要是鍵盤電路、復(fù)位電路、時鐘電路和串口通信電路。其中，晶振電路和串口通信電路在單片機STC89C52RC的技術(shù)手冊里面有詳盡的陳述，本文不再做細致分析與敘述。鍵盤電路采用行列式鍵盤接口，利用程序掃描法查詢按鍵狀態(tài)，從而執(zhí)行相應(yīng)子程序，完成相關(guān)功能。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，除了進入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準確、可靠地工作。單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，通常使RST保持高電平。只要RST保持高電平，則單片機就循環(huán)復(fù)位。單片機復(fù)位電路通常采用以下幾種方式：①上電自動復(fù)位，在通電瞬間，由于RC電路充電過程中，RESET端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機復(fù)位；②按鍵電平復(fù)位，通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)的；③系統(tǒng)復(fù)位，在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。這特別適合于應(yīng)用現(xiàn)場干擾大、電壓波動大的工作環(huán)境，并且，當(dāng)系統(tǒng)有多個復(fù)位端時，能保證可靠地同步復(fù)位。此次設(shè)計本著結(jié)構(gòu)簡單、干擾小的思想，故采用上電自動復(fù)位。具體電路如圖4-1所示圖4-1單片機系統(tǒng)外圍電路4.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計4.2.1超聲波換能器超聲波換能器(UltrasonicTransducer)是把別種能源的信號轉(zhuǎn)換成所要求的超聲波信號或者能量的器件；或者反之，是把超聲波信號或者能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的信號或者能量的器件。超聲波換能器有多種類型，如電聲型超聲波換能器(包括壓電換能器，磁致伸縮換能器，電動式換能器和電磁式換能器)，流體動力型換能器，氣介超聲波換能器，聚焦超聲波換能器，扭轉(zhuǎn)振動超聲波換能器，彎曲振動超聲波換能器，檢測超聲波換能器等。超聲波由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優(yōu)點，而經(jīng)常用于距離的測量。本次設(shè)計是用于測距，需要轉(zhuǎn)換的信號是超聲波和其他信號（電壓信號，電流信號等），所以選擇壓電式超聲波換能器。所以，以下介紹壓電式超聲波傳感器的原理及應(yīng)用。某些單晶材料的結(jié)構(gòu)具有非對稱特性，當(dāng)這些材料受到外加應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變時，其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的變化（形變）會破壞原來宏觀表現(xiàn)為電中性的狀態(tài)，產(chǎn)生極化電場（電極化），所產(chǎn)生的電場（電極化強度）與應(yīng)變的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，它是由居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。隨后，在1881年又進一步發(fā)現(xiàn)這類單晶材料還具有逆壓電效應(yīng)，即具有正壓電效應(yīng)的材料在受到外加電場作用時，會有應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生，其應(yīng)變與外電場的大小成正比。壓電效應(yīng)是晶體結(jié)構(gòu)的一個特性，它與晶體結(jié)構(gòu)的非對稱性有關(guān)，而壓電效應(yīng)的大小及性質(zhì)則與施加的應(yīng)力或電場對晶體結(jié)晶軸的相對方向有關(guān)。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部就夠如下圖所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時，它就是一個超聲波發(fā)生換能器；反之，如果兩電極間沒有外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，使機械能轉(zhuǎn)化為電信號，這是它就成為超聲波接收換能器了。在壓電陶瓷片上加有大小和方向不斷變化的變流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向，是外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為的交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種振動推動空氣等媒質(zhì)，便會發(fā)出聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械波，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械的變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的信號。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。圖4-2超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖圖4-3是壓電晶片的等效電路。為靜電電容，R為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻，和為機械共振回路的電容和電感。為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個固有的諧振頻率，即中心頻率，發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致；接收超聲波時，作用在其上面的超聲機械波的頻率也要與它的固有頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用的壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便地改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。用于測距的傳感器的中心頻率一般為40KHz。圖4-3壓電晶片等效電路4.2.2NE555簡介NE555(TimerIC)大約在1971年由SigneticsCorporation發(fā)布，在當(dāng)時是唯一計數(shù)快速且商業(yè)化的TimerIC。在往后的30年來非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電路。盡管近年來CMOS技術(shù)版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原規(guī)格的NE555依然正常的在市場上供應(yīng)。盡管新版IC在功能上有部份的改善，但其引腳功能并沒變化，所以到目前都可直接的代用。NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同。555是一個用途很廣且相當(dāng)普遍的計時IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率的脈沖信號。NE555的特點有：(1)只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。(2)它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯門配合，也就是它的輸出觸發(fā)準位及輸入觸發(fā)準位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。(3)其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。5軟件系統(tǒng)設(shè)計5.1主程序設(shè)計主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能，主程序的編寫是在各個子程序的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。主程序程序指導(dǎo)各個子程序依次工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的測距功能。主程序開始時，要對系統(tǒng)進行初始化，初始化包括I/O端口的初始化、中斷的初始化、定時器的初始化等等。在初始化完成后，開始40KHz脈沖信號的發(fā)射。由單片機P2.7端口控制NE555產(chǎn)生40KHz的脈沖信號，同時定時器0開始計時。單片機用外部中斷0來接收超聲波回波信號，當(dāng)接收到中斷時，定時器0計時停止。記錄下這一數(shù)據(jù)，單片機開始距離計算。計算結(jié)果出來后，結(jié)果被顯示子程序調(diào)用，距離顯示在LED上。主程序的工作流程圖如圖5-1所示。主程序代碼如下：voidMain(void){//主程序 InitCPU(); while(1) {//主循環(huán) TimeAndComSelect(); switch(bSysStatus) { caseS_Idle: key_DealNews(); break; caseS_DISPLAY: DisplayLED(Index); Index++; if(Index>=4) { Index=0; } break; caseS_DATACOLLECT: DataCollect(); break; caseS_SAMPLETH: Ds18b20(); break; caseS_KEYSCAN: Key_Scan(); break; } }}5.2子程序設(shè)計5.2.1初始化程序voidInitCPU(){ EA=0; //DisabletheInterrupt PSW=0x00; //Selectregisterbank0 TMOD=0x21;//Time0mode1TH0=L5MS_H; //fosc=11.0592mhz5mstimerinterruptTL0=L5MS_L; TH1=L9600; TL1=L9600; SCON=0x40; //UartBaudcontrol PCON=0x80; //PowerControl // IP=0x00; //Interruptpiror IP=01;IT0=1; //Timer0Interruptenable IT1=1;//Timer1Interruptenable EX0=1; //ExternalInterruptdownedgetriggerEX1=0;ET0=1; //EnableTimer0 ET1=0;TR0=1; //Timer0Interruptenable TR1=1;REN=1;ES=1; EA=1; P0=0xff; P1=0xff; P2=0xff; P3=0xff;}5.2.2中斷程序voidTimeAndComSelect(){ if(m_bSys5ms) { m_bSys5ms=0; bSysStatus=S_DISPLAY; } elseif(m_bSysScanKey) { m_bSysScanKey=0; bSysStatus=S_KEYSCAN; } elseif(m_bDataCollect) { m_bDataCollect=0; bSysStatus=S_DATACOLLECT; } elseif(m_bSampleTh) { m_bSampleTh=0; bSysStatus=S_SAMPLETH; } else { bSysStatus=S_Idle; }}5.2.3顯示程序voidDataCollect(){ floattempfloat; uinttempint; Result=113.5; tempfloat=Result*100; tempint=(uint)tempfloat; DisBuf[0]=tempint/1000; DisBuf[1]=tempint%1000/100; DisBuf[2]=tempint%100/10; DisBuf[3]=tempint%10;}voidDisplayLED(byteIndex1){ tempbyte=0; tempbyte=Index1<<4; if(m_bEnterSetStatus&&(Index1==CursorPosition)) {//開始閃爍 if(m_bSYS500ms) {//亮 tempbyte+=DisBuf[Index1]; } else {//滅 tempbyte+=10; } } else { tempbyte+=DisBuf[Index1]; } P0=tempbyte;}

6系統(tǒng)誤差分析及改進6.1系統(tǒng)誤差分析6.1.1溫度對超聲波聲速的影響空氣中傳播的超聲波是由機械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響即：（5-1）其中B為氣體的彈性模量，r為氣體的密度。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得：B=g·r，其中g(shù)為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為1.40，P為氣體的壓強。氣體的壓強為：（5-2）其中，R為普適常量8.314kg/mol，T為氣體溫度K(絕對溫度)，M為氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg/mol。所以（5-3）由公式5-3可知，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系。例如：20℃時，T=293.15，CS=344.2m/s；40℃時，T=313.15，CS=355.8m/s；-20℃時,T＝253.15，CS=319.9m/s；從上面的計算可以看出，溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。6.1.2回波檢測對時間測量的影響超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個過程，超聲波會有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。設(shè)在距離超聲接收器x處有被測物，則空氣中傳播的超聲波波動方程描述為：A=A(x)cos(ax+kt)（5-4）其中A為超聲傳感器接收的振幅；A0為超聲傳感器初始振幅；α為衰減系數(shù)；x為超聲波傳播距離；w角頻率；k為波數(shù)。衰減系數(shù)α=b·f。其中b為空氣介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。由此可見，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時超聲波頻率的過高會產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強，這一點有利于距離測量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計超聲接收電路時，要設(shè)計較大放大倍數(shù)(萬倍級)和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測。6.1.3超聲傳感器所加脈沖電壓對測量范圍和精度的影響制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測距常用壓電材料傳感器，例如TCT40壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值會影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時，其應(yīng)變S與外加電場強度E的關(guān)系為：S=d·E（5-5）其中d為應(yīng)變電場常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進而影響超聲波幅值。這些會直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。6.2針對誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進方案在實際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。測距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、時間計測、微機控制和溫度測量五個部分組成。如何提高測量精度是超聲測距的關(guān)鍵技術(shù)。其提高測距精度的措施下：(1)合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期；據(jù)經(jīng)驗，超聲測距的工作頻率選擇f=40kHz較為合適：發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的10倍以上即：T>0.25s，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機處理數(shù)據(jù)的速度，速度趕快，脈沖發(fā)射周期可選短些。(2)在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動增益負反饋控制環(huán)節(jié)；因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用(AGC)電路使放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，